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1、 JF 非开挖水平定向钻机技术介绍及设计说明 2 作者：日期：个人收集整理 勿做商业用途 3 JF380 非开挖水平定向钻机技术介绍及设计说明 佟 明 内容提要：本文主要对 JF380 非开挖水平定向钻机的工作原理、技术特点、性能参数、结构原理、关键技术和关键部件做了较详细的说明。重点对动力头的设计做了详细介绍和说明。关键词：非开挖 JF380 钻机原理 设计介绍 一、非开挖技术简介 非开技术是指利用少开挖或不开挖的方法对地下管线、管道进行铺设、维修、更换或者探测的一门施工技术。非开挖施工应用了定向钻进技术的原理,极大地降低了地下管线施工对交通、环境、基础设施、居民生活工作等造成的影响，成为现
2、代城市技术设施施工、建设、管理的一个重要组成部分。非开挖施工开始于 1896 年的美国，兴起于上世纪 80年代发达国家并形成产业，我国于 1953 年首次在北京应用非开挖技术施工，上世纪 90 年代开始起步，近年来发展迅速。目前在石油天然气、城市给排水、煤气供应、电力、个人收集整理 勿做商业用途 4 通讯、供热等管道铺设与维护领域得到了广泛应用.非开挖水平顶钻机的工作原理和施工程序主要分为下面三个步骤：1、钻头、钻杆钻进 固定设备后,按照设定的角度,在动力头的作用下，钻头带动钻杆旋转前进,并在导向仪的控制下，按照施工要求的深度和长度进行钻进，穿过地面障碍物后，穿出地面。在钻进的过程中，为防止钻
3、杆被土层夹紧、抱死,需要由泥浆泵通过钻杆、钻头打出膨化水泥或泥浆，同时也起到固化通道，防止管道塌陷的作用。钻杆钻进示意图 2、回扩头回扩 在钻头带着钻杆穿出地面后，卸掉钻头，将回扩头于钻杆安装固定，动力头回拖，钻杆带着回扩头反向回拖,扩大管道直径尺寸。个人收集整理 勿做商业用途 5 回扩示意图 3、管道回拖 在回扩头回拖的同时，将管道固定在回扩头后，动力头拖动钻杆，带着回扩头和管道同时进行反向回拖运动，直至将管道拖出地面，完成管道铺设施工。管线回拖示意图 二、JF380 非开挖水平定向钻机的基本结构 无论是大型还是中小型水平定向钻机，其基本结构都包括主机、钻具、导向系统、泥浆系统,有的还配备智
4、能辅助系统。我们设计的JF380非开挖水平定向钻机设计思路为中端产品，故未配备智能辅助系统。1、主机 个人收集整理 勿做商业用途 6 主机主要由底盘、发动机、动力头、驾驶室和泥浆系统构成。(1）底盘的设计 JF380水平定向钻机底盘为液压驱动,刚性连接式车架。行走装置主要包括驱动轮、导向轮、支重轮、托链轮、履带总成、履带张紧装置、行走减速机和纵梁组成。16 底盘示意图 行走装置中左、右纵梁分别整体焊接后,与中间整体框架式车架焊接成为一个整体车架。车架后端设置2 个支腿，可有效降低支腿部分重力及简化结构，工作时支腿支起,增强整车的稳定性。行走减速机选用进口的内藏式行星减速机(包括马达），输出扭矩
5、大、结构紧凑。履带采用金属履带,强度高，可承受更大的载荷,损个人收集整理 勿做商业用途 7 坏后可以更换。(2)发动机的选用 水平定向钻机的发动机系统包括发动机、散热器、空滤器、消音器、燃油箱等。发动机作为设备的心脏,其功率和性能是衡量钻机能力的重要指标，钻机在钻进和回拖的过程中，往往需要以恒定的载荷运行。钻机工作时功率消耗主要集中在旋转和泥浆上，由于JF380水平钻机采用油缸进给机构，所以功率消耗不大，减小了系统的发热量,同时油缸进给机构效率高。通过对动力头、泥浆泵的载荷计算，同时对比借鉴了国内其他大规模厂家的40吨左右非开挖设备的发动机配置，最终选择康明斯160Kw发动机。在可以完全满足钻
6、机工作需要的同时，让机器在动力方面拥有更加卓越的表现,远胜徐工等厂家选配的140kw发动机,从而在市场竞争中更具优势。（3）动力头的设计 动力头是钻机设计最重要的部分，如果说发动机是机器的心脏，那么动力头就是核心。其功能主要有：驱动钻杆钻头回转;承受钻进、回拖过程中产生的反力;泥浆进入钻杆的通道。个人收集整理 勿做商业用途 8 动力头由两个低速大扭矩马达驱动减速机，由减速机驱动减速箱，再由减速箱输出轴驱动钻杆转动,输出轴中空,结构如下图所示.动力头示意图 动力头功率计算如下:动力头旋转在额定 15000N.m 扭矩，仅 63ml 泵供油工作时:额定压力 20MPa 液压传动装置总效率：y=0。
7、85 减速箱机械效率：j=齿轮*轴承=0。960.98=0.94 液压泵总效率:个人收集整理 勿做商业用途 9 b0.8 考虑管路及阀件中压力损失的效率:g(201.5)/20=0。93 总效率:总=y*jb*g=0。85*0。940.8*0。93=0。59 液压泵总功率：Q=Pq*n/（60b)=20632200/(600.88)=52500（W)式中：P 液压系统压力 q液压泵排量 n 液压泵转速 b液压泵机械效率 动力头旋转在额定 15000N.m 扭矩，63ml+32ml 泵供油工作时：额定压力 20MPa 液压传动装置总效率:c=0。85 减速箱机械效率：j=齿轮*轴承=0.96*0
8、。98=0。94 液压泵总效率：个人收集整理 勿做商业用途 10 b0.8 考虑管路及阀件中压力损失的效率:g(20-2.5）/20=0.88 总效率：总=cjb*g=0。85*0。94*0.80。88=0.56 液压泵总功率:Q=P*q*n/(60*b）=20(63+32)*2200/(600.88）=79166（W）式中：P液压系统压力 q-液压泵排量 n-液压泵转速 b-液压泵机械效率(4)动力头回转机构的设计 由于动力头钻机具有给进行程长、传动链短、结构简单、操作方便等特点,所以选用动力头作为回转运动的输出机构并将其作为本设计的回转机构.给进/回拖机构是动力头回拉或进给运动的执行机构,
9、通过液压马达、减速机、链条，由链条向动力头提供进给力或回拉力，前后油缸协调动作,以调节合适的钻进角度.个人收集整理 勿做商业用途 11 动力头给进/回拖机构示意图(5）夹持器的设计 JF380非开挖水平定向钻机采用前夹紧设计，夹持器有夹紧与旋转两个动作，配合动力头完成装卸钻杆的任务。夹持器钳主要由2 个夹紧体和加力机构构成,夹紧体主要由钳臂、夹紧块、V 形块构成；加力机构由带有左右旋向螺纹的十字形螺杆和分别带有左、右旋螺纹的2 个销轴构成。带牙的V 形块用螺钉分别固定在钳臂和夹紧块的凹槽内，活节螺栓与钳臂通过销铰接;螺杆和加力臂成十字形焊在一起，构成十字形螺杆。工作时，分别将钳臂和夹紧块通过活
10、节螺栓、螺母夹紧两钻杆相邻端部，将带有左、右旋内螺纹的左、右销轴分别从十字形螺杆两头旋入，并将左、右销轴分别插入两钳臂的末端销轴孔，用限位销分别将左、右销轴限位，转动十字形螺杆,即可实现钻杆的拧紧或分离.个人收集整理 勿做商业用途 12 17 夹持器翻转工作示意图（6）驾驶室 针对野外施工环境,JF380非开挖水平定向钻机专门为操作者设计了驾驶室，并在驾驶室内配置了空调系统。这是国内其他钻机厂家从未做过的设计，虽然增加了生产成本，但是为操作者提供了更加舒适的工作环境，充分体现了人性化设计的理念，提高了设计层次和产品档次。2、钻具（1)钻头 钻头一般为楔形，在前进过程中,若钻头不断旋转,则钻进轨
11、迹为直线。当钻头想绕过障碍物或以一定曲率半径前进时,钻头停止转动，使楔面停留在某一角度再推进。这样,钻头就以与楔面相背的方向前进。改变钻孔方向就是依靠导向设备，应用此原理来控制钻头的姿态从而实现的.个人收集整理 勿做商业用途 13 钻头斜板通常有喷嘴，高速膨胀水泥或泥浆从喷嘴喷出,对土层进行冲刷、加固。对不同土层，应选用不同的钻头，如在较软的粘土中，一般选用较大尺寸的钻头,便于在推进过程改变方向；在较硬的钙质层中,选用较小的钻头；而在硬岩钻进则要选用特殊的钻头，如镶焊小尺寸硬质合金钻头。由于日后的销售主要针对东北市场,所以针对东北的土层结构我们选用了河北中星穿越公司生产的130mm硬质钻头，使
12、用简单、方便，结实耐用.(2）钻杆 钻杆为中空结构，这样才能让膨胀水泥或泥浆从中穿过，但是又必须有足够的强度，以免扭折、拉断；同时还要有足够的柔性,才能钻出弯曲的孔道。在长距离穿越中,钻杆的长度直接影响钻进效率，特别是采用有线导向时，长钻杆使钻杆连接次数减少，将明显节约连接时间。我们为JF380非开挖水平定向钻机选配的是河北中星穿越公司生产的733000mm，壁厚9.19mm的钻杆.完全能够满足施工要求.个人收集整理 勿做商业用途 14 钻杆起始杆导向钻钻头 带钻头的钻杆示意图（3)扩孔器 扩孔器种类繁多,不同的扩孔器适用不同土层。如凹槽状扩孔器适用于沙地和含有岩石的紧密沙地，而在粘性高的粘土
13、中运行容易变成球状；杆状切割器适用于硬土层、粘土层,而无法在岩石地或卵石地有效运行。扩孔器需要按照具体的施工环境来具体确定，JF380钻机的设计性能是能够穿越硬土层和冬季的冻土层,并顺利回扩1000mm一下的孔.这点也顺利的通过了后来的实际施工检验。导向完之后从八方套拆开接扩孔器扩孔器心轴公拉头(30T)分动器母拉头 扩孔器示意图 3、导向系统 个人收集整理 勿做商业用途 15 导向系统包括无线导向系统和有线导向系统。无线导向系统由手持式地表探测器和装在钻头里的探头组成。探测器通过接收探头发射的电磁波信号判断钻头的深度、楔面倾角等参数,并同步将信号发射到钻机操作台的显示器上，以便司钻及时调整钻
14、进参数以控制钻进。在穿越河流、湖泊时，由于地面行走困难或钻孔深度太深,电磁波信号难以接收,就必须使用有线导向系统。探头通过钻杆后接电缆把信号传给操作台，来指导司钻操作钻机。4、泥浆系统 泥浆系统是保证扩孔以及管道回拖顺利进行的重要设备。膨胀水泥、膨润土、水以及添加剂等在泥浆罐里充分搅拌混合后,通过泥浆泵加压，经过钻杆从钻具喷嘴喷出，冲刷土层并把钻屑带走，起到辅助钻进的作用.钻进泥浆还可冷却钻具,以免钻具过热而磨损.钻进泥浆的另一重要作用是在回拖管道时降低管壁与孔壁之间的摩擦力。在理想状态时，管道是悬浮在泥浆中被拉出，因此在实际工程中，若钻孔成型好时，管道所需的拉力往往比预料的要小得多。个人收集
15、整理 勿做商业用途 16 水平定向钻管孔直径一般比较大，孔壁稳定性差,而钻进泥浆凝固后,可以起到稳定孔壁的作用。泥浆泵工作功率计算如下:泥浆泵在仅32+32ml泵供油，油压20MPa压力下工作时：泥浆泵自身总效率：n=0.7 泥浆泵驱动马达总效率:m=容积机械=0.96*0.91=0.87 液压泵总效率：b0.8 考虑管路及阀件中压力损失的效率：g（20-1。5)/20=0.93 总效率:总=n*m*bg=0。70。87*0。8*0.9=0.45 液压泵总功率:Q=Pq*n/(60*b）=20*642200/(600.88）=52500（W)式中：P 液压系统压力 q-液压泵排量 n-液压泵转
16、速 b-液压泵机械效率 个人收集整理 勿做商业用途 17 最终我们选用的衡阳BM320泥浆泵，最大流量为320L/min，最大压力10Mpa。三、设备技术指标及设计要求 JF380 水平定向钻机最终的技术参数为：发动机功率:160kw 最大给进/回拖力：380/380KN 最大扭矩：15600Nm 回转速度：110/58rpm 动力头行走速度：0-25m/s 整机外形尺寸：697022002875mm 主机重量：11。5T 泥浆泵型号：BM320 泥浆泵最大流量：320L/min 1、整机采用全液压驱动,履带行走；双低速马达驱动动力头双速钻进，马达链条给进系统；2、桅杆能够在8-20范围内开孔
17、，要求整机重心低，稳定性好；3、设备扭矩大，动力配置高，设备的设计和操作方式能够保证钻机的高效施工；4、国内独有的驾驶室设计，能够为操作者提供舒适的个人收集整理 勿做商业用途 18 操作环境，体现良好的人性化设计理念，外形美观大方；四、结论 首台JF380非开挖水平定向钻机于2011年8月研制成功,成功完成了厂内的实地试验，并先后成功接受了沈阳、吉林、铁岭等地的现场施工检验，全部顺利完成现场施工任务。由此证明了此次JF380非开挖水平定向钻机的设计是正确、合理、科学、成功的!个人收集整理 勿做商业用途 19 参考文献：1.中国非开挖技术行业市场调查报告 中国非开挖技术协会 2010.12。2。非开挖技术现状及发展前景 何宜章 岩土钻凿工程 2010 年第 23 期.3.非开挖地下管线施工技术及其应用 颜纯文，Steven D。北京地震出版社 1999。4。FW-60型地下管线非开挖铺设钻机设计 邓洪超，郑午，郑治川 长春科技大学学报 1999
JF非开挖水平定向钻机技术介绍及设计说明
